《電子技術應用》
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LED照明與LED驅動技術發展分析

2011-08-13
作者:Nick Holland

  固態照明(SSL) 也即發光二極管(LED) 照明很明顯將取代白熾燈和FL/CFL 照明,其背后的推動力包括政府規定、高效率、長壽命以及環境問題。由于政府繼續逐步淘汰白熾燈泡(例如,歐洲規定2009 年年底開始禁用100W 燈泡,2010 年年底開始禁用75W 燈泡)。剩下的唯一選項便是含有微量汞的CFL 燈泡和LED 燈泡,但不幸的是,LED 燈泡的成本仍然遠高于白熾燈或者CFL。另外,LED 燈泡符合RoHS(有害物質使用規定)規定,并且它不含汞或者其他有害物質——更有利于環境。

  然而,這一目標的實現需由各大公司來推動,例如:IKEA宣布他們將首先逐步淘汰白熾燈泡,未來只供應CFL 和LED 燈泡。需要注意的另一點是LED 的價格將會自己慢慢降下來,從而有效降低總LED 燈泡價格。這樣便讓廣大消費者能夠使用更長壽命、更加有益環境的LED 燈泡來取代其老舊的各種燈泡。由于LED 燈泡更換速度的加快,我們可以預見未來在這些燈泡中將會內置更多的特性,其會改變我們日常生活中使用燈具的方式。由于鎢絲的發熱和冷卻,傳統的白熾燈泡基本都有一種特有的相關色溫(CCT)。

  使用亮度調節器的情況下,這種CCT 在深度亮度調節時呈現橘紅色,而在滿功率(無亮度調節)時為亮白色,其在這兩種色溫之間變化。使用LED 時,可以讓不同類型的彩色LED 組合發出彩色的光,來提供與白熾燈泡相似的CCT,或者如圖1 所示的任何CIE 1931色度圖色彩。另外,我們還可以增加許多特性,例如:用于調節、分組和改變這些燈泡光輸出顏色的遠程/無線控制——而這還僅僅只是初級應用。

 

  

  CIE 1931 色度圖:黑色曲線反映使用鎢絲的燈泡

  圖1 CIE 1931色度圖:黑色曲線反映使用鎢絲的燈泡

 

  受益于LED 照明設備的不僅僅是家居市場。根據2008 年美國能源部(United States Department of Energy)撰寫的一份報告,如果全部的美國零售商都改用LED 系統來為冷藏陳列柜提供照明,“……可以節省25.4 億千瓦時的電。這相當于節省了273.8 TBtu的能源,其等于四座大型火力發電站一年的用煤量,或者兩百多萬個家庭一年的用電量。”改用LED 照明的趨勢已經持續有一段時間了,許多大型的零售公司都正在逐漸采用LED 照明,例如:沃爾瑪2009 年12 月宣布在650 家店面中用LED 替換陶瓷金屬鹵化物燈;在2010 底以前,500 多家店面的展示柜都改用LED 照明,以期達到每年省電1600 萬千瓦小時的目標。

  位于波多黎各的SuperMax正在用LED 型照明技術,替換其所有的商店照明。Nualight最近發布的白皮書顯示,熒光燈照明讓一些如冷藏設備等應用的功耗增加約25%-50%,包括展示柜、冷藏柜、冷藏庫和自動飲料出售機等。實際上,LED 照明是這些低溫型展示設備的理想選擇,因為相比之下LED 產生的熱量非常小。因此,它們消耗非常少的能源便可提供相同甚至更好的照明,同時對壓縮機沒有明顯的影響,無需過多地對制冷機組進行散熱處理。另外,在食品冷凍冷藏過程中使用LED 照明,還消除了因熒光燈泡破損產生汞污染的潛在危險。

  LED 顏色可以根據展示的類型進行調整匹配,而LED 的壽命遠遠超出了冷藏柜。早在2008 年,Naulight便同Tesco簽訂了一份合同,負責改造其愛爾蘭商店中的115 家,并已經改造了其在英國的商店以及其Tesco美國店Freshandeasy。在英國,Sainsbury‘s已經在其全部英國商店的15000多個冷藏展示柜中安裝使用了LED 照明系統。

  另外,戶外和基礎設施市場也正從傳統照明設備LPS、HPS 和水銀蒸汽,向LED 型照明解決方案的轉移。LED 擁有諸多的優勢,例如:亮度可調節性、瞬時導通(沒有達到最大亮度輸出的預熱時間)以及低維護。在世界各地都在進行著許多創新試點,對停車場照明、路燈和交通信號燈進行升級。在美國政府經濟刺激資金的幫助下,一些城市已經在2009 年安裝了LED 路燈,還有其他幾十個城市也在計劃之中。至少有30 個城市已經提出超過1.04 億美元的聯邦經濟刺激資金撥付申請,以幫助它們實施上述照明升級。2009 年,歐盟委員會便通過了一項規定,旨在有效地逐步淘汰傳統的辦公、工業和街道照明燈具,這在2012 年將會產生巨大的影響,其具體內容如下:

  2010:逐步淘汰暈磷酸鹽熒光燈管

  2012:逐步淘汰T12 熒光(FL)燈管

  2012:逐步淘汰高壓鈉燈(HPS)標準質量燈(僅E27/ E40/ PGZ12受影響)

  2012:逐步淘汰低效率的金屬鹵化物(MH)燈(僅E27/E40/PGZ12受影響)。

  歐洲的目標是到2020 年能源消耗減少20%,歐盟委員會2011 年2 月宣布了一項計劃,旨在籌集1 千萬歐元實施兩到三個主要的大型項目,示范LED 照明在光線質量、低能耗、低總運行成本以及用戶接受度方面的諸多好處。

  在推動采用如LED 等更高效照明設備過程中,各國政府都在發揮其積極的作用,與此同時,如果我們真的想要加快LED 照明在普通照明市場的推廣應用,我們需要實現三個重要的技術突破。

  首先,需要降低驅動器的成本,才能實現在普通照明市場LED 燈泡和燈具的大眾消費。許多LED 芯片和電源IC 供應商都正在研究如何通過新技術或者改良技術,一點一點地降低其LED 芯片或者驅動器IC 的成本,目的是以更低的價格提供更高的功效(更高的流明/瓦)。

  其次,需要開發出能夠同目前安裝的電源基礎設施無縫連接的LED 驅動器。我們在使用“可調光”LED 燈泡時已經碰到過這種問題,LED 燈泡需要正確地同斷相調光器一起工作,例如:前沿(基于TRIAC)及后沿調光器(基于晶體管)、數字調光器和運動傳感器。MR16 型LED 燈泡需要與目前安裝使用的磁性電子變壓器兼容(調光),同時還要與功耗低于傳統鹵素MR16 燈泡的LED 燈泡兼容。在保持燈泡本身高效率的同時,還要滿足電子變壓器(eTransformer) 最低功耗要求,存在相當大的挑戰。

  最后,相比同類的白熾燈和CLF 產品,LED 擁有非常高的靈活性。但是,需要發展LED 照明智能控制技術,以便真正地將這種技術的價值最大化。它的范圍涵蓋家用或辦公用LED 燈泡的智能調光,其根據進入房間光線的多少來調節亮度,或者根據時段(黎明、粉塵、夜晚)來改變路燈的亮度。另外,LED 還有一個優勢即瞬時開啟的能力,因此,相比目前使用的體育場館照明等設備,其沒有“加熱”時間要求。

  TI 致力于為這一重要成長市場提供服務。例如,TI 有一個業務部門,專門負責普通照明市場的LED 照明業務。TI 及其競爭對手共同面臨的主要挑戰是,這一市場仍處于起步階段,因此充滿了躁動和混亂,且不斷地變化著。這個市場現在存在的一個主要問題是,世界各個地區的要求都或多或少地不同,例如:輸入電壓、功率因數、電磁干擾(EMI)、額定標準、成本等等。這就意味著,作為電源控制器和轉換器IC的制造廠商,我們很難達到理論規模經濟效益,因為這個工業根本不可能實際開發出真正的通用LED 燈泡(至少在短期內不可能)。但是,隨著一些傳統的競爭對手以及許多新進入這個行業的參與者,都一起加入到LED 照明產業中來,競爭變得非常激烈,而這種狀況也會加速針對這一市場的新型解決方案產品的出現。

  這種激烈競爭帶來市場的好處是創新的出現和成本的降低,而這正是推動這一新興市場發展的兩個關鍵因素。在這個市場統一以前,競爭的勝出者將會是那些找到并投資正確細分市場的企業,并且最終將會只有幾家大型企業主導這個市場。TI 專注于那些為LED 照明量身定做的產品開發工作,這些產品同時還擁有高度的靈活性,可以快速地適應各種LED 照明細分市場要求的變化。這個市場仍然處于早期嘗試應用階段,在未來兩到三年時間內其將會出現爆炸式的增長。TI 目前正在開發的產品以及正在實施的產能投入,將會讓TI成為這個令人興奮不已且不斷增長的市場的領跑者。它可以確保TI 的廣大客戶在LED 照明市場競爭中取得成功。

 

  參考文獻

  《IKEA 宣布自2010 年8 月1 日起在所有美國IKEA 商店逐步淘汰白熾燈照明》IKEA, 2010年6月15日。

  《壁櫥照明應用中發光二極管的節能估算》, Navigant 咨詢公司,2008 年9 月。

  《沃爾瑪LED 照明650 店計劃》,《relumination》,2010年11月12日。

  《500店LED改造節能計劃》,《環境與能源管理通訊》,2010年4月13日。

  《波多黎各SuperMax食雜店LED燈管照明改造Redbird LED》,《LED改造》, 2010年2月24日。

  《照亮通向綠色零售業的道路:數字照明研究報告》,《Nualight》,2008年。

  《Tesco英國LED照明" title="LED照明">LED照明改造參考》,《Naulight》,2011年2月10日。

  8.《Sainsbury和Tesco冷藏庫LED照明改造案例》,NACS®,《Insight》,《全球便利店熱點新聞》,2009 年4月。

  9.《越來越的城市借助經濟刺激計劃升級安裝LED路燈》,《今日美國》,2009年3月3日。

  10.《UE照明禁令》,《HiTEC LED照明專家》。

  11.《歐盟能源效率政策》,建筑節能研究所。

  12.《歐洲提議實施固態照明試點項目》,《LED雜志》,2011年3月16日。

 

  作者簡介

  Nick Holland 現任TI德國夫里新市照明電源產品部戰略市場營銷經理。Nick 畢業于英國布里斯托爾大學(University of Bristol),獲電子工程碩士學位。他于1996 年加盟TI,并在歐洲多個地區任職。此前,Nick 負責TI 位于得克薩斯州達拉斯的高性能模擬音頻和成像產品市場營銷業務。

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